FR2553871A1

FR2553871A1 - Procede de chauffage d'un objet a partir du rayonnement solaire et capteurs solaires permettant de mettre en oeuvre ce procede

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Publication number: FR2553871A1
Application number: FR8316724A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-10-20
Filing date: 1983-10-20
Publication date: 1985-04-26

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LE CAPTAGE DE L'ENERGIE SOLAIRE. UN SYSTEME OPTIQUE CONCENTRATEUR 1 FORME A LA SURFACE D'UN OBJET 2 A CHAUFFER UNE TACHE LUMINEUSE 5. LA SURFACE DE L'OBJET PRESENTE UN REVETEMENT REFLECHISSANT 3 D'ISOLATION THERMIQUE QUI DISPARAIT A L'ENDROIT DE LA TACHE 5, FAISANT APPARAITRE UNE FENETRE D'ECHANGE ENERGETIQUE 4 QUI COINCIDE AVEC LA TACHE 5 ET SUIT CELLE-CI DANS SES DEPLACEMENTS DUS AU MOUVEMENT APPARENT DU SOLEIL. LE REVETEMENT REFLECHISSANT 3 PEUT ETRE UNE COUCHE FORMEE D'UN METAL QUI SE VAPORISE A L'ENDROIT DE LA TACHE 5 ET SE REDEPOSE SUR L'OBJET 2 EN REFORMANT LE REVETEMENT REFLECHISSANT LA OU ETAIT CELLE-CI AVANT DE SE DEPLACER. L'INVENTION PERMET DE SE PASSER D'UN DISPOSITIF DE POURSUITE DU SOLEIL.

Description

PROCEDE DE CHAUFFAGE D'UN OBJET A PARTIR DU RAYONNEMENT SOLAIRE
ET CAPTEURS SOLAIRES PERMETTANT DE METTRE EN OEUVRE CE PROCEDE
L'invention se rapporte tout d'abord à un procédé de chauffage d'un objet à partir du rayonnement solaire à l'aide d'un système optique concentrateur.

Plus précisément, ce procédé vise à utiliser le rayonnement du soleil pour obtenir une source chaude, de température moyenne (par exemple 1000 C) ou plus élevée, ceci sans dispositif de poursuite du soleil assurant une visée précise de celui-ci dans son mouvement journalier et saisonnier ("tracking"), tout au plus avec un dispositif de poursuite très simplifié.

On va rappeler ci-après les conditions générales du problème du captage de l'énergie thermique du rayonnement solaire
La température d'équilibre Te d'un objet (corps noir) qui n'échange de chaleur avec l'extérieur que par rayonnement dépend des températures des différentes sources avec lesquelles il échange ce rayonnement et des proportions dans lesquelles l'échange se fait avec chacune de ces sources.

Dans le cas du captage de l'énergie solaire, il y a une seule source chaude, le soleil, à la température Ts voisine de 5500 K, dans un univers froid (de température proche de O K). Si x est alors la fraction du rayonnement d'un objet émis à destination du soleil (x est la fraction par rapport à 2J9P stéradians qui correspond à l'angle solide sous lequel le soleil est vu d'un point de l'objet), la température d'équilibre de l'objet est, théoriquement :: Te = 1/4 Ts (températures exprimées en kelvins)
Bien entendu, la température à laquelle un objet, chauffé par le rayonnement solaire, peut etre utilisé comme source chaude est largement inférieure à Te, d'abord parce qu'à cette température l'objet émet autant qu'il reçoit et qu'on ne peut donc en tirer aucune énergie, et surtout parce que l'objet échange aussi de la chaleur avec l'extérieur par conduction et convexion.

Pcur obtenir des températures élevées, on doit donc limiter, autant que possible, les pertes par conduction ou convexion et se mettre dans les conditions d'une température Te très élevée, ce qui suppose d'augmenter le facteur x (qui est d'environ 1/46 000 dans le cas d'un objet simplement exposé au soleil sans artifice). On y parvient en concentrant le rayonnement solaire sur l'objet par des systèmes optiques (donnant ou non des images) de grande ouverture. Une large fraction x du rayonnement émis par l'objet est alors, par l'intermédiaire du système optique, dirigé vers le soleil, ce qui assure une température Te élevée. Malheureusement (pour ce qui est de ce problème), le soleil n'occupe pas une position fixe, ce qui oblige à suivre son mouvement apparent avec le système optique.

L'invention a pour but d'éviter l'obligation de poursuite du soleil dans son mouvement apparent.

Dans un cas très simple de capteur solaire, celui-ci est constitué d'une lentille (par exemple une lentille de Fresnel), qui concentre en son foyer le rayonnement solaire sur l'objet qu'on veut chauffer.

Cet objet peut etre de nature variée : fluide en circulation alimentant une machine thermique, fluide ou autre matière destinée à stocker la chaleur, four solaire, etc. La température de cet objet est variable selon les applications et les dispositifs proposés peuvent etre adaptés en fonction de cette température. Pour fixer les idées, on peut envisager, à titre d'exemple non limitatif, une température de 4002C à 6000C.

Dans toute la suite on parlera, sans préciser, de ltnobJet".

Le système optique projette sur l'objet une tache lumineuse où le rayonnement est concentré (image du soleil), qui sera simplement désigné dans la suite comme la "tache lumineuse", étant entendu que cette tache peut etre formée de lumière tant visible qu'invislble (infrarouge). La température de cette tache peut varier selon les applications et, là encore, il est possible d'adapter les dispositifs. A titre d'exemple, on peut considérer une température de 8000C à 1 2000C.

Il n'est pas nécessaire que l'objet soit assez petit pour etre entièrement couvert par la tache lumineuse : il peut etre beaucoup plus étendu, à condition de ne pouvoir émettre (et donc recevoir) de rayonnement que par la portion de sa surface sur 1 a q u e I 1 e e s t f o r n é e la tache lumineuse.

Ce résultat serait cbtenu, par exemple, en rendant réfléchissante, pour le rayonnement que l'objet est susceptible d'émettre, toute la surface de celui-ci à l'exception de la partie qui cofncide avec la tache lumineuse. En théorie, la température d'équilibre da l'objet est alors la même que stol était éclairé entièrement (toutefois , en pratique, les problèmes d'isolation thermique sont évidemment d'autant plus importants que la surface de l'objet est plus grande).

Si, dans un tel dispositif, le système optique est fixe, la tache lumineuse est mobile du fait du mouvement apparent du soleil. Le dispositif peut cependant continuer, à tous moments, de répondre à la condition posée ci-dessus si
- la surface de l'objet est déterminée de manière que la tache lumineuse se forme toujours sur cette surface,
- la partie de la surface de l'objet qui est non réfléchissante pour permettre les échanges de rayonnement change quand la tache lumineuse se déplace de maniere à toujours coïncider avec cette dernière.

En conse-ence, le procédé selon l'invention consiste à doter l'objet à chauffer d'une surface réfléchissante qui l'entoure, à régler le système concentrateur de façon que la tache lumineuse qu'il crée se forme à proximite de ladite surface et à manager dans cette surface, en coïncidence avec ladite tache > une fenêtre d'échange permettant à l'énergie solaire concentrée dans ia tache de penétrer au sein de l'objet, cette fenêtre suivant la tache dans ses déH'acements. Un tel procédé permet d'obtenir au sei dudit objet des températures élevées avec un système optique fixe c'est-à-dire sans dispositif de poursuite du soleil.

Il est souvent avantageux pur a n se en oeuvre du procédé que l'objet se compose d'une enceinte comportant la surface réfléchissante et d'un corps collecteur de chaleur placé à l'intérieur de l'enceinte, de préférence à distance de la paroi de celle-ci. Dans ce cas, le vide peut être fait dans l'espace séparant l'enceinte du corps collecteur de chaleur, afin d'améliorer l'isolation thermique de ce dernier.

La pénétration de l'énergie par ladite fenêtre au sein de l'objet peut s'effectuer de diverses manières, et notamment par transmission, la surface réfléchissante devenant transparente au rayonnement solaire à l'endroit de la tache sous l'effet de l'énergie concentrée qui y apparat, ou par absorption, la surface réfléchissante devenant absorbante pour le rayonnement solaire à l'endroit de la tache, énergie absorbée étant ensuite acheminée par conduction etlou réémission.

Le rendement du captage de l'énergie solaire est amélioré lorsque l'objet et/ou le corps collecteur de chaleur qu'il comporte sont entourés d'une ou de plusieurs enceintes à transparence sélective, chacune créant à son intérieur un effet de serre en empêchant la dispersion vers l'extérieur de l'énergie rayonnée soit par la matière où se forme la tache lumineuse, soit par le corps collecteur de chaleur.

L'invention a également pour objet divers capteurs solaires permettant de mettre en oeuvre le procédé défini cr- dessus.

Dans une première forme d'exécution, l'objet comprend un corps collecteur de chaleur et une enceinte faite en un matériau transparent au rayonnement solaire, revêtue intérieurement d'une touche réfZéchissante en 'ri métal qui se vaporise lorsqu'il est porté à la température de la tache, un espace libre étant ménagé entre ladite enceinte et ledit corps collecteur pour le métal vaporisé, qui se redepose en reformant la couche réfléchissante lorsque la tache s'est déplacée. Afin d'éviter que le métal vaporisé aille se redéposer dans des parties de l'enceinte autres que la zone utile de celle-ci où peut être présente la tache (ces parties étant plus froides), il convient que le corps collecteur soit en contact de manière étanche avec l'enceinte le long d'une ligne fermée entourant ladite zone de l'enceinte. Dans cette forme d'execution? la fenêtre d'échange énergétique est une fenetre transparente à travers laquelle se transmet directement au corps collecteur l'énergie concentrée par le système optique.

Avantageusement, la matière de l'enceinte est transparente seulement pour le rayonneznent solaire, mais opaque au rayonnement émanant du corps collecteur. On obtient ainsi un effet de serre vis-à-vis de l'énergie réémise par ce dernier.

Dans une seconde forme d'exécuticn, l'objet est revêtu d'une couche réfléchissante faite en un métal qui devient absorbant à la température de la tache, laquelle se forme sur cette couche. La fenêtre ainsi créée est une fenêtre absorbante, l'énergie absorbée par celle-ci se communiquant soit directement à 'objet par conduction, soit par réémission vers le corps collecteur de chaleur lorsque l'objet comprend un tel corps eollecteuis dans une enceinte transparente. Celle ex comporte alors ladite couche réfléchissante soit sur sa surface externeS auquel cas la matière de l'enceinte, transparente au rayonnement émis par la-partie devenue absorbante de la couche réfléchissante, peut Être choisie telle qu'elle soit opaque au rayonnement émanant du corps collecteur, fournissant un effet de serre au niveau de celui-ci, soit sur sa surface interne, auquel cas la matière de l'enceinte , transparente au rayonnement solaire, peut etre choisie telle qu'elle soit opaque au rayonnement émis par la partie devenue absorbante de la couche réfléchissante, fournissant un effet de serre au niveau de cette partie.

Dans une c,roisrème forme d'exécution, où la fenêtre d'échange est également une fenêtre absorbante, l'objet comprend un corps collecteur dans une enceinte qui comporte sur sa surface interne une couche réfléchissante et qui est réalisée en une matière transparente pour le rayonnement solaire, mais qui devient absorbante pour celui-ci à l'endroit de la tache. Le corps collecteur peut être en contact avec la paroi de l'enceinte, recevant par conduction l'énergie absorbée par la matière de l'enceinte à l'endroit de la tache, ou etre placé à distance de cette paroi, la couche réfléchissante étant alors recouverte intérieurement d'une couche émissive qui transmet par réémission au corps collecteur l'énergie absorbée à ltendroit de la tache.

Dans une quatrième forme d'exécution où est encore créée une fenêtre absorbante, il est prévu que sur la surface externe de l'objet se déplace, mue par des moyens mécaniques ou électriques, une pastille absorbante ayant les dimensions de la tache et astreinte à rester en coincidence avec celle-ci.Lorsque l'objet comprend une enceinte et un corps collecteur de chaleur placé à distance de la paroi de celle-ci, l'enceinte peut être soit en matière conductrice de la chaleur, sa surface externe étant réfléchissante et sa surface interne étant revêtue d'une couche émissive, soit en matière transparente, comportant alors sur sa surface externe une couche réfléchissante et, sous-jacente à celle-ci, une couche émissive, le corps collecteur recevant dans les deux cas par réémission de cette couche émissive l'énergie absorbée par la fenêtre que crée la pastille absorbante mobile.

Par ailleurs, dans ces deux cas, la matière de enceinte peut être choisie telle qu'elle soit opaque au rayonnement émanant du corps collecteur, de manière à obtenir un effet de serre relatif à celui-ci.

Dans une cinquième forme d'exécution, l'objet comprend un corps collecteur dans une enceinte, laquelle comporte un ensemble de lamelles réfléchissantes juxtaposées qui s'escamotent à l'endroit de la tache en devenant inopérantes pour réfléchir les rayonnements qu'elles reçoivent et en créant ainsi une fenetre.

L'escamotage de ces lamelles réfléchissantes peut s'effectuer par exemple soit par voie électro-mécanique à l'aide de cellules solaires détectant la présence de la tache, soit par voie de dilatation thermique sous l'influence de l'échauffement créé par l'énergie concentrée à l'endroit de la tache. Ce sont de préférence les lamelles d'un second ensemble de lamelles qui sont alors le siège de la dilatation thermique créant la fenêtre.Dans ce cas, à chaque lamelle réfléchissante peut être associée en superposition une lamelle dudit second ensemble de lamelles offrant un fort coefficient de dilatation et capables d'acheminer l'énergie de la tache vers le corps collecteur, les lamelles des deux ensembles étant imbriquées en alternance et disposées comme les tuiles d'un toit pour former l'enceinte entourant le corps collecteur ou tout au moins la zone utile de celle-ci où peut apparaître la tache.

Dans une première variante, où l'énergie traverse la fenêtre par absorption et conduction, les lamelles des deux ensembles sont attachées au corps collecteur par leur bord contigu à celui-ci, les lamelles étant dimensionnées de façon que le bord extérieur des lamelles réfléchissantes, normalement apparent, leur ensemble formant une surface réfléchissante quasiment continue tournée vers l'extérieur, s'escamote sous le bord extérieur des lamelles du second ensemble à l'emplacement de la tache du fait de la dilatation de ces dernières lamelles, lesquelles, absorbantes et conductrices de la chaleur, assurent par conduction
a:ncrrineent de l'énergie de la tache vers le corps collecteur.

Dans une seconde variante, où l'énergie traverse la fenêtre par transmission, les lamelles des deux ensembles sont attachées à des points fixes dans leur zone médiane entre leur bord intérieur et leur bord extérieur, les lamelles étant dimensionnées de façon que les bords extérieur et intérieur des lamelles réfléchissantes, normalement apparents, leurs ensembles formant une surface réfléchissante quasiment continue aussi bien extérieurement qu'intérieurement, s'escamotent respectivement sous les bords extérieur et intérieur des lamelles du second ensemble à 1 'emplacement de la tache du fait de la dilatation de ces dernières lamelles, lesquelles sont transcarentes et assurent par transmission l'acheminement de l'énergie de la tache vers le corps collecteur. il est avantageux dans cette seconde variante de choisir la matière des lamelles du second ensemble telle qu'elle voit opaque au rayonnement émanant du corps collecteur pour bénéficier d'un effet de serre relatif à celui-cl.

Un capteur solaire selon 'irn ttior et etre dote dsun système cor.centrateur simple à axe optique unique. Celui-ci peut etre orienté de façon très approximative vers le soleil à l'aide d'un dispositif de poursuite simplifiée, seulement capable d'amener l'axe optique en un petit nombre (trois par exemple) de positions angulaires au cours de la journée. I1 peut encore être doté d'un système concentrateur multiple à plusieurs axes optiques fixes, ceux-ci étant décalés angulairement de façon à pouvoir viser des positions successives du soleil dans le ciel.Avec un tel système multiple, parmi les taches lumineuses qu'il forme sur l'objet, seules certaines (éventuellement une seule) sont efficaces à un moment donné pour créer une fenêtre d'échange énergétique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, en regard des dessins schématiques annexés, d'exemples de réalisation non limitatifs.

La figure 1 illustre le principe de fonctionnement d'un capteur solaire selon l'invention.

Les figures 2 et 3 représentent une première forme d'exécution d'un capteur solaire selon l'5nvention, dans deux variantes.

Les figures 4 et 5 représentent une deuxième forme d'exécution dans deux variantes.

Les figures 6 et 7 représentent une troisième forme d'exécution dans deux variantes.

Les figures 8, 9 et 10 représentent une quatrième forme d'exécution dans trois variantes.

Les figures il et 12 représentent une cinquième forme d'exécution dans deux variantes.

La figure 13 illustre le mode d'obtention d'effets de serre.

Les figures 14 et 15 représentent un système concentrateur multiple dans deux variantes.

Comme on le voit sur la figure 1, un capteur solaire selon l'invention comporte essentiellement un système concentrateur 1, constitué ici par une simple lentille, et un objet 2 entouré d'une surface réfléchissante 3 qui l'empêche de rn';cnnsr vers l'extérieur. 'effet réflecteur de cette surface est rendu inopérant dans une fenetre 4 mobile, coïncidant constamment avec la tache lumineuse 5 formée par la lentille 1 sur la surface 3, quelle que soit la direction D du rayonnement solaire incident (dans des limites données, mais qui peuvent être larges).Ainsi, énergie concentrée par la lentille 1 peut pénétrer dans l'objet 2 par ia fenêtre li, mais ne peut en ressortir du fait de la couche réfléchissante 3 existant partout ailleurs; l'objet s'échauffe donc et la chaleur ainsi captée est disponible par exemple pour chauffer un fluide.

Sr 1a figure 2, l'objet comprend un corps collecteur de chaleur 2a et une enceinte 2b entourant ce dernier Cette enceinte, qtii est réalisée en une matière transparente au raycnncment solaire et à l'intérieur de laquelle le vide a été fait est revetue sur sa surface interne d'une couche métallique 3 dont le métal corstitutif (par exemple l'aluminium) est tel qu?1 se vaporise ior-squ'il est porté à la température de la tache 5 formée par le système concentrateur.Une fenêtre transparente coïndidant avec la tache 5 apparaît ainsi, par laquelle le flux énergétique concentré pénètre dans l'enceinte 2b et échauffe le corps collecteur de chaleur 2a. Lorsque la tache 5 se déplace sur la paroi de l'enceinte 2b du fait du mouvement apparent du soleil le e.tal vaporisé se condense sur la partie de la surface interne de celle-ei qu'a iittée la tache, où la couche réfléchissante se reconstitue ainsi, tandis que du matai se vaporise dans la partie nouvellement touche par la tache. Ainsi, la fenêtre suit la tache dans tous ses déplacements.

La matière de l'enceinte 2b, transparente au rayonnement solaires peut etre choisie telle quelle soit opaque, au moins partiellement, au rayonnement émis par le corps collecteur de chaleur. Ainsi, ce rayonnement ne peut sortir de l'enceinte pas même par la fenetre créée dans sa couche métallisée et l'on obtient un effet de serre augmentant l'efficacité du dispositif.

Afin d'éviter que le métal vaporisé n'aille se condenser non pas dans les parties successivement abandonnées par la tache 5, mais dans une partie plus froide telle que la région située audessous du corps collecteur 2a sur a figure 2 (que la tache r'atteint Jamais), ce dernier peut etre conçu pour remplir enceinte isolante 2a (figure 3) à l'exception d'un espace 6 (vide d'air) délImité par une ligne fermée 7 marquant le contour de la région de l'enceinte où se déplace la tache 5. Grâce à cette disposition, aucune partie du système n'est plus froide que ladite région de l'enceinte, dans laquelle le métal de la couche réfléchissante 3 doit se redéposer.En dehors de sa région active, l'enceinte 2b est revetue d'un isolant thermique 8.

Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, l'objet se compose, comme dans celui de la figure 2, d'un corps collecteur de chaleur 2a et d'une enceinte 2b en matière transparente au rayonnement solaire, revêtue intérieurement d'une couche réfléchissante 3. Mais, ici, le métal de la couche 3 est choisi non pas pour se vaporiser à l'endroit de la tache 5, mais pour y devenir absorbant, perdant son pouvoir réfléchissant sous l'effet de la haute température qui y règne. L'énergie concentrée de la tache est alors absorbée par la couche métallique 3, puis remise par celle-ci à l'intérieur de l'enceinte 2b en direction du corps collecteur 2a. Lorsque la tache 5 se déplace, le métal qui était devenu absorbant se refroidit et recouvre son pouvoir réfléchissant. Le métal choisi doit donc n'etre le siège ni de corrosion, ni de vaporisation à la température de la tache.

Comme le mcntre la figure 5, la couche métallique 3 peut également revêtir extérieurement l'enceinte 2b . Cette dernière doit alors etre transparente au rayonnement réémis par la zone absorbante de la couche 3.

Les modes de réalisation des figures 4 et 5 autorisent l'obtention d'un effet de serre. A cet effet, dans celui de la figure 4, l'enceinte 2b doit être opaque au raycnnement émis (vers l'extérieur)par la zone absorbante de la couche 3. Dans le cas de la figure 5, l'enceinte doit etre opaque au rayonnement émanant du corps collecteur 2a. Ces deux effets de serre peuvent d'ailleurs etre combinés en réalisant la couche métallique 3 entre une enceinte extérieure opaque au rayonnement de la zone absorbante de cette couche et une enceinte Intérieure opaque au rayonnement du collecteur 2a. En tout cas, il est indiqué d'saurer une protection de la couche métallique 3 en la plaçant en sandwich entre deux enceintes transparentes successives.

La couche métallique 3 des exemples des figures 4 et 5 peut elle-meme fournir un effet de serre, si le métal perd, à l'endroit de la tache, ses propriétés réfléchissantes pour le rayonnement solaire, mais non pas (ou seulement partiellement) pour celui qu'emet le collecteur de chaleur.

Comme représenté aux figures 4 et 5, il est avantageux de placer le corps collecteur de chaleur 2a à distance de l'enceinte 2b, par ménagement d'un espace intermédiaire 6 vide d'aIr. Cette disposition assure une excellente isolation thermique dudit corps collecteur. Toutefois, celui-e i pourrait aussi remplir complétement l'enceinte, recevant alors par conduction l'énergie absorbée à l'endroit de la tache. D'une manière générale, dans tous les modes de réalisation d'un capteur solaire selon l'invention, il est recommandé de prévoir un tel espace intermédiaire 6 et d'y faire le vide.

Certains matériaux, transparents à la température ordinaire, ne se sont plus à haute température (par exemple, le verre perd sa tranep2rence vers 8000 C). D'autres sont transparents normalement, mais s'opacifient en noircissant lorsqu'ils sont vio]enment éclairés, ce noircissement pouvant être reversible. Par suite, jna autre solution consiste à recouvrir la surface rêfléoissante qui entoure l'objet à chauffer d'un tel matériau transparent, lequel ne pourra absorber (et réénettre) qu'à l'endroit de la tache lumineuse, ce matériau recouvrant sa transparence quand la tache s'est déplacée.

La fifre 6 montre une réalisation correspondante, où le corps collecteur de chaleur 2a est recouvert directement d'une enceinte 2b en un tel matériau qui devient absorbant là ou se trouve la tache 5, la couche réfléchissante 3 étant interposée entre l'enceinte 2b et le collecteur 2a et pouvant appartenir à l'un ou à l'autre de ces éléments. La chaleur absorbée localement par la matière de l'enceinte 2b se communique au corps collecteur 2a par conduction à travers la couche réfléchissante 3.En variante (figure 7), cette couche, déposée sur la surface interne de l'enceinte 2b, est revêtue d'une couche de matière absorbante 9 qui assure la réémission de l'énergie absorbée vers le corps collecteur 2a, maintenant placé à distance de l'enceinte 2b avec ménagement d'un espace 6 vide d'air qui favorise l'isolement thermique dudit corps collecteur.

Une autre forme d'exécution est représentée aux figures 8 à 10, dans laquelle une pastille 10 de matière absorbante de mêmes dimensions que la tache 5 est déplacée mécaniquement ou électriquement sur la surface réfléchissante 3 entourant l'objet de manière à. rester constamment en coincidence avec celle-ci. Dans le cas de la figure 8, l'objet 2 est métallique et sa surface polie constitue la surface réfléchissante 3. L'énergie absorbée par la pastille 10 parvient à l'objet 2 par conduction.Dans le cas de la figure 9, c'est l'enceinte 2b qui comporte extérieurement la surface polie réfléchissante 3, tandis que sa surface interne est revêtue, uniquement dans la région active où se déplace la tache 5, d'une couche absorbante 9 qui communique par,émission au collecteur de chaleur 2a l'énergie absorbée par la pastille 10 parvenue à la couche 9 par conduction à travers la paroi de l'enceinte 2b (réalisée en métal), un intervalle vide 6 d'isolation thermique séparant le corps collecteur 2a et l'enceinte 2b. Dans le cas de la figure 10, la structure est semblable à celle de la figure 9.Toutefois, l'enceinte 2b est ici transparente et la couche émissive 9 est sous-jacente à la couche réfléchissante 3, de sorte que l'énergie absorbée par la pastille 1Q parvient au corps collecteur 2a par conduction à travers la couche 3 puis réémission par la couche 9 à travers la paroi transparente de l'enceinte 2b et l'espace intermédiaire vide 6.

La figure 11 se rapporte à un autre mode de réalisation, dans lequel le corps collecteur de chaleur 2a est entouré d'une surface réfléchissante formée (dans la région active où peut apparaître la tache lumineuse pa. un enseiabLe de lamelles réfléchissantes 13 disposées comme les tuiles d'un toit sur la surface du corps collecteur 2a a' laquelle elles sont attachées en des points 11 situés sur leur bord tourné vers l'Intérieur. Entre
Ces lamelles réfléchissantes. réalisées par exemple en verre argenté ou en silice argentée, sont interposées en alternance des lamelles absorbantes 12 formant un second ensemble et attachées de la mena façon au corps collecteur 2a.Les lamelles 12, pour lesquelles on peut utiliser du métal noIroi , sont en outre < onductrices de la chaleur et offrent un coefficient de dilatation thermique supérieur a celui des lamelles réfléchissantes 13. A roid, c'est-à-dire en dehors de la tache lumineuse 5 formée par le système concentrateur sur le double ensemble de lamelles 129 13, les lamelles 13 recouvrent, du coté extérieur opposé au corps collecteur, les lamelles 12. Les bords extérieurs juxtaposés des lamelles 13 forment ainsi une surface réfléchissante quasiment continue, jouant le rôle de de la surface réfléchissante 3 précédemment mentionnée.A chaud, ctest-à-dire à l'endroit de la tache 5, les lamelles se dilatent en glissant les unes sur les autres, les lamelles absorbantes 12 s'allongeant plus que les lamelles réfléchissantes 13. Les bords extérieurs des lamelles 12 émergent de dessous ceux des lamelles 13 et forment une zone absorbante oii l'énergie de la tache est absorbée, puis achemine par conduction via les lamelles 12 jusqu'au corps collecteur 2a.

Dans We structure similaire figure 12), à l'ensemble de lamelles réfléchiasantes 13 est associé un ensemble de lamelles transparentes 14 remplaçant l'ensemble de lamelles absorbantes 13 du dispositif de la figure 11.Les lamelles alternées 13, 14 de ces deux ensembles sont attachées en des points fixes 15 situes à ni-distance de leurs bords externe et interne, et leurs dimensions sont telles que les bords des lamelles transparentes 14 sont, à froid, entièrement recouverts et masqués par les bords des lamelles réfléchissantes 13, de sorte que le double ensemble de lamelles 13, 14 présente alors une surface réfléchissante aussi bien de son côté extérieur que de son côté tourné vers le corps collecteur. 30us l'influence de l'échauffement à l'endroit de la tache 5, les lamelles transparentes 14, qui ont un coefficient de dilatation supérieur à celui des lamelles réfléchissantes 15, émergent par leurs bords externe et interne et le rayonnement solaire concentré dans la tache 5 est transmis au corps collecteur de chaleur 2a via les lamelles transparentes 14. La matière de celles-ci, qui doit naturellement être transparente au rayonnement solaire, est avantageusement opaque au rayonnement du collecteur 2a, d'où un effet de serre favorable. Dans ce dernier cas, la disposition de la figure 11 pourrait encore etre utilisée, les lamelles transparentes 14 n'ayant pas besoin d'être masquées par les lame'les réfléchissantes 13 du coté du corps collecteur, car le rayonnement de ce dernier ne risque pas de s' échapper par lesdites lamelles transparentes.

D'une manière générale, un dispositif selon l'invention comporte essentiellement, outre un système concentrateur, un objet ou un corps collecteur de chaleur 2a entouré d'une surface réfléchissante d'isolement 3 sur laquelle le système concentrateur forme une tache lumineuse 5, une fenêtre s'ouvrant dans la surface 3 en cdincidence avec cette tache, de sorte que le rayonnement solaire concentré dans la tache 5 peut atteindre le corps collecteur 2a figure 13).L'efficacité de ce processus peut etre améliorée en créant un effet de serre par interposition, entre le corps collecteur 2a et la surface réfléchissante 3, d'une paroi 16 transparente seulement pour le rayonnement issu de la tache 5 (soit rayonnement solaire, soit rayonnement réémis par un élément émissif apparaissant à l'endroit de la tache), et non pour le rayonnement émis par le corps collecteur de chaleur 2a. Lorsqu'il y a un élément émissive à l'endroit de la tache, un deuxième effet de serre peut etre obtenu grâce à une deuxième paroi 17 placée à l'extérieur de la surface réfléchissante 3, cette paroi étant transparente au rayonnement solaire, mais non au rayonnement dudit élément émissif.

On fera encore remarquer qu'un dispositif selon l'invention fait intervenir au moins deux, et le plus souvent trois sources de rayonnement à des températures différentes : le soleil et objet ou le collecteur de chaleur, à quoi peut s'ajouter la partie de la surface d'isolement qui coincide avec la tache lumineuse. Les qualités optiques des divers matériaux dont il a été question (réfléchissantes, transparentes ou absorbantes) oo~vent être appréciées pour les longueurs d'onde des rayonnements de l'une ou l'autre de ces sources, selon les cas. Le revêtement réfléchissant de la surface 3, par exemple, sert à empêcher le corps collecteur de chaleur de rayonner vers l'extérieur. Il doit donc etre réfléchissant pour le rayonnement de celui-ci (situé dans l'infrarouge).

L'agencement conçu selon l'invention pour eréer une fenêtre d'échange énergétique cotncidant avec la tache lumineuse concentrée peut entourer complétement l'objet à chauffer, ou être limité à la région où se déplace ladite tache, le reste de l'objet étant recouveru de matières isolantes ou réfléchissantes.

On a pris, dans ce qui précède, l'exemple d'un concentrateur simplement constitué par une lentille convergente 1.

Filais ce n'est qu'un exemple et l'invention peut etre adaptée pour utiliser tous autres capteurs et, notamment, les miroirs qui donnent des images ( spheriques) ou qui n'en donnent pas (paraboliques, cylindriques, coniques, etcs.

On sait d'autre part que la plupart des concentrateurs perdent beaucoup de leur efficacité quand l'angle des rayons lumineux avec leur axe devient trop grand. Si on ne peut pas se ccn^nter des concentrations médiocres que donnent les systèmes optiques dans ce cas et qu'on veut cependant utiliser le capteur solaire toute la journée (et toute l'année), on peut recourir à deux solutions
- utiliser un dispositif de poursuite, qui peut ici être extrêmement simplifié (avec deux ou trois positions seulement dans la journée);;
- utiliser, avec le même objet, un concentrateur multiple formé de plusieurs systèmes optiques d'orientation différente, ceux-ci étant efficaces successlvement, selon la position du soleil.

Cette dernière solutIon est illustrée par les figures 14 et 15. On voit sur la figure 14 un concentrateur triple comprenant trois lentilles convergentes 1, -1' et 1" dont les axes optiques sont décalés d'environ 450 Dans la situation représentée, la lentille 1 donne sur la surface réfléchissante 3 de ltobjet 2 une tache 5 efficace, tandis que la lentille 1' dcnne une tache 5' quasiment inefficace et la lentille 1" ne donne pas de tache du tout. Au cours de la journée, ce sont les lentilles 1' et 1 " qui donnent successivement, à la suite de la lentille 1, une tache efficace. La figure 15 montre un concentrateur multiple comportant un corps transparent 18 entourant--l'ôbjet 2 et-conformé pour faire apparattre une mosaïque de dioptres convexes convergents 1, 1', 1", 1"', etc. dont les axes optiques sont décalés angulairement de manière progressive. Dans la situation considérée sur cette figure, les dioptres 1 et 1' donnent des iw E et 5' efficaces, les dioptres 1" et 1"' des images 5" et 5"' peu et très peu efficaces, et les dioptres suivants sont inopérants.

Claims

R EVENDI CA IONS

1. Procédé de chauffage d'un objet à partir du rayonnement solaire à l'aide d'un système optique concentrateur, caractérisé par le fait qu'il consiste à doter l'objet (2) d'une surface réfléchissante (3) qui l'entoure, à regler le système concentrateur (1) de façon que la tache lumineuse (5) qu'il crée se forme à proximité de ladite surface (3) et à ménager dans cette surface5 en coïncidence avec ladite tache ( 5), une fenêtre (4) d'échange permettant à l'énergie solaire concentrée dans la tache de pénétrer au sein de l'objet (2), cette fenêtre (4) suivant la tache (5) dans ses déplacements.

2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le rait que l'objet se compose d'une enceinte (2a) comportant la surface réflc'-chissante (3) et d'un corps collecteur de chaleur {2b) placé t l'intérieur de l'enceinte, de préférence à distance de la Farci ce celle-ci.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le vide est fait dans l'espace (6) séparant l'enceinte (2a) du corps collecteur de chaleur (2b).

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la pénétration de l'énergie par ladite fenetre (i;) s'effectue par transmission, la surface réfléchissante (3) devenant transparente au rayonnement solaire à l'endroit de la tache {53 sous l'effet de l'énergie concentrée qui y apparat.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la pénétration de l'énergie par ladite fenêtre (4 s'effectue par absorption, la surface réfléchissante (3) devenant absorbante pour le rayonnement solaire à l'endroit de la tache (5), puis par acheminement de l'énergie absorbée par conduction et/ou réémission.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'objet (2) et/ou le corps collecteur de chaleur (2a) qu'il comporte sont entourés d'une ou de plusieurs enceintes (16, 17) à transparence sélective, chacune créant à son intérieur un effet de serre.

7. Capteur solaire permettant de mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'objet (2) comprend un corps collecteur de chaleur (2a) et une enceinte (2b) faite en un matériau transparent au rayonnement solaire, revêtu intérieurement d'une couche réfléchissante (3) en un métal qui se vaporise lorsqu'il est porté à la température de la tache (5), un espace libre (6) étant ménagé entre ladite enceinte (2h) et ledit corps collecteur(2a).

8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le corps collecteur (2a) est en contact de manière étanche avec l'enceinte (2b) le long d'une ligne fermée (7) entourant la zone de l'enceinte (2b) où peut être présente la tache (5).

9. Capteur selon ia revendication 7 ou 8, caractérisé par le fait que la matière de l'enceinte (2b) est transparente seulement pour le rayonnement solaire, mais opaque au rayonnement émanant du corps collecteur (2a).

10. Capteur permettant de mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'objet (2) est revêtu d'une couche réfléchissante (3) faite en un métal qui devient absorbant à la température de la tache (5), laquelle se forme sur cette couche.

11. Capteur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'objet t2) comprend un corps collecteur (2a) dans une enceinte transparente (2b), laquelle comporte sur sa surface externe ladite couche réfléchissante (3).

12. Capteur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la matière de l'enceinte (2b) transparente au rayonnement émis par la partie devenue absorbante de la couche réfléchissante (3) est opaque au rayonnement émanant du corps collecteur (2a).

13. Capteur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'objet (2) comprend un corps collecteur (2a) dans une enceinte transparente (2b), laquelle comporte sur sa surface interne ladite couche réfléchissante(3).

14. Capteur selon la revendication 13, caractérisé par le fait que la matière de l'enceinte (2b), transparente au rayonnement solaire, est opaque au rayonnement émis par la partie devenue absorbante de la couche réfléchIssante (3) 15. Capteur solaire permettant de mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'objet comprend un corps collecteur (2a) dans iine enceinte (2b) qui comporte sur sa surface interne une couche réfléchissante (3) et qui est réalisée en une matière transparente pour le rayonnement solaire, mais qui devient absorbante pour celui-ci à l'endroit de la tache(5).

16 Capteur selon la revendication 15, caractérisé par le fait que le corps collecteur (2a) est placé à distance de la paroi de l'enceinte (2b) et que la couche réfléchissante (3) est recouverue intérieurement d'une couche émissive (9) qui transmet par réémission au corps collecteur (2a) l'énergie absorbée par la matière de l'enceinte (2b) à l'endroit de la tache (5).

17. Capteur permettant de mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que sur la surface externe de l'objet (2) se déplace, mue par des moyens mecaniques ou électriques, une pastille absorbante (10) ayant les dimensions de la tache (5) et astreinte à rester en coincidence avec celleci.

1û. Capteur selon la revendication 17, caractérisé par le fait que l'objet (2) comprend une enceinte (2b) en matière conductrice de la chaleur dont la surface externe est réchissante et dont la surface interne est revêtue dune couche émissive (9), et un corps collecteur (2a) placé dans l'enceinte (2b), a' distance de la paroi de celle-ci.

19. Capteur selon la revendication 17, caractérisé par le fait que l'objet (2) comprend une enceinte (2b) en matière transparente comportant sur sa surface externe une couche réfléchissante (3) et, sous-jacente à celle-ci, une couche émissive (9), et un corps collecteur (2a? placé dans enceinte (2b) à distance de la paroi de celle-ci.

20. Capteur selon la revendication 18 ou 19, caractérisé par le fait que la matière de l'enceinte (2b) est opaque au rayonnement émanant du corps collecteur (2a).

21. Capteur solaire permettant de mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que l'objet (2) comprend un corps collecteur (2a) dans une enceinte (2b), laquelle comporte un ensemble de lamelles 'réfléchissantes (13) juxtaposées qui s'escamotent à l'endroit de la tache (5) en devenant inopérantes pour réfléchir les rayonnements quelles reçoivent.

22. Capteur selon la revendication 21, caractérisé par le fait que l'escamotage des lamelles réfléchissantes (13) s'effectue par voie électro-mécanique à l'aide de cellules solaires détectant la présence de la tache (5).

23. Capteur selon la revendication 21, caractérisé par le fait que l'escamotage des lamelles réfléchissantes (13) s'effectue par voie de dilatation thermique sous i'rifiicice de l'échauffement créé par l'énergie concentrée à l'endroit de la tache (5).

24. Capteur selon la revendication 23, caractérisé par le fait qu'à chaque lamelle réfléchissante (13) est associée en superposition une lamelle (12 ou 14) d'un second ensemble de lamelles offrant un fort coefficient de dilatation et capables d'acheminer l'énergie de la tache (5) vers le corps collecteur (2a), les lamelles des deux ensembles étant imbriquées en alternance et disposées comme les tuiles d'un toit.

25. Capteur selon la revendication 24, caractérisé par le fait que les lamelles (12, 13) des deux ensembles sont attachées au corps collecteur (2a) en des points (11) par leur bord contigu à celui-ci, les lamelles étant dimensicnnéos de façon que le bord extérieur des lamelles réfléchissantes (13), normalement apparent, s'escamote sous le bord extérieur des lamelles (12) du second ensemble à l'emplacement de la tache (5) du fait de la dilatation de ces dernières lamelles (72), lesquelles, absorbantes et conductrices de la chaleur, assurent par conduction l'acheminement de l'énergie de la tache (5) vers le corps collecteur(2a).

25. Capteur selon la revendication 24, caractérisé par le fait que les lamelles (13, 14) des deux ensembles sont attachées à des points fixes (15) dans leur zone médiane entre leur bord intérieur et leur bord extérieur, les lamelles (13, 14) étant dimensionnées de façon que les bords extérieur et intérieur des lamelles réfléchissantes (13), normalement apparents, s'escamotent respectIvement sous les bords extérieur et. intérieur des lamelles t14) du second ensemble à l'emplacement de la tache (5) du fait de la dilatation de ces dernières lamelles (14), lesquelles sont transparentes et assurent par transmission l'acheminement de lténegie de la tache (5) vers le corps collecteur(2a).

Capteur selon la revendication 26, caractérisé par le fa;.t que la matière des lamelles (14) du second ensemble est opaque et rayonnement émanant du corps collecteur (2a) 28. Capteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 27, caractérisé par le fait qu'il est doté d'un système concentrateur simple (1) dont l'axe optique unique est orienté de façon très approximative vers le soleil à l'aide d'un dispositif de poursuite simplifié.

9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 27, caractérisé par le fait qu'il est doté d'un système concentrateur multiple (1, 1', 1 ...) offrant plusieurs axes optiques fixes décalés angulairement.